大红山铜矿深部采场隔层厚度优化及其稳定性分析

董家平　赵艳伟

摘要：为合理确定矿房上下两层之间合理的隔层厚度，以确保采场的稳定性，采用三维有限元数值模拟软件FLAC3D，结合工程实际，建立了7种隔层厚度进行数值模拟计算。计算分析表明，采场稳定安全系数在矿房跨度36m时随隔层厚度的减小而降低，隔层厚度为14m时为临界隔层厚度，同时得出，在回采后，及时的进行充填可以提高采场的安全系数，且生产时若留一个采空区，其余采空区采后及时充填，隔层厚度控制在10m到14m间可使采场处于稳定状态。研究的结果可以为相关实例提供一定的理论依据和参考。

关键词：采场的稳定性；数值模拟；安全系数；采空区

0引言

随着科学技术的发展，矿山开采的规模也越来越大，随之遇到各种复杂的地质应力条件，采场稳定性是影响矿山安全高效生产的重要因素之一。采场的失稳是由于开挖引起应力的重新分布使得超过围岩强度或引起围岩过分变形所导致的。诸多相关学者针对采场稳定性这一重要课题做了相关研究。徐文彬等利用Voronoi图法理论建立了不规则矿柱稳定性评价方法以研究地下采场群稳定性问题，同时采用相关力学理论对充填法的矿柱进行了研究：董金奎等H利用修正的Mathews稳定图法和临界跨度设计法优化了采场最大跨度和暴露面积尺寸：张钦礼等采用尖点突变模型对采场的顶板和矿柱进行稳定性分析；杨宇江等采用强度折减法以分析地下采场稳定性；高峰等采用模糊物元分析原理进而构造了复合模糊物元评价模型以分析地下采场稳定性。

以上研究地下采场稳定性主要采用数学法、力学法和图形法等，而近年来随着数值模拟软件的发展和逐渐的成熟，数值模拟法也很好地应用于地下采场稳定性分析中，并取得了良好的效果。因此本文在基于三维有限元FLAC3D的基础上对云南大红山铜矿中深部铜铁合采矿段的上部采空区与下部矿房间隔层厚度进行稳定性分析，以达到安全高效生产的目的。

1三维模型的建立

1.1岩石力学参数和方案的选取

本次研究的范围是大红山铜矿中深部（435、385中段）铜铁合采的矿段，矿区水平最大主应力平均值为21.6MPa，水平最小主应力13.7MPa，垂直应力平均值为16.7MPa，最大水平主应力方向为118.7°（SEE-NWW）。表l为岩石的基本物理力学参数。同时为研究上部采空区与下部矿房间隔层稳定性，设计了7个计算模型，每个模型在上部采空区充填条件下其余空区按所有空区不充填、充填一个空区、充填两个空区和空区全部充填四种充填方案进行计算，共计28个方案，根据工程实际，矿柱宽度为10m，矿房宽度为36m，表2为模型设计方案。

1.2模型的建立

根据工程实际，本次模型的建立依据485中段已开采并已充填后的典型隔层一采场模型，如图1所示。基于地下工程开挖空间对围岩变形的影响，模型水平和上下边界与硐室距离一般分别取2-3倍的硐室高度和宽度。本文在计算域的水平和垂直边界上分别取2.3倍的矿房高度和2.2倍的矿房宽度。如图2为隔层稳定性分析典型计算模型。

2计算结果分析

为研究上部采空区与下部矿房间隔层稳定性，以求出采场隔层合理厚度，本文对所设计的7种隔层厚度28个方案模型进行了模拟计算，通过设立监测点对采场采后各充填方案所对应的应力和位移变化特征进行分析。图3为监控点的布置示意图。

2.1稳定性安全系数

通过模拟计算得出隔层厚度18m、16m、15m、14m、13m、12m、10m时隔层上部采空区充填条件下其余各采空区均不充填的采场及围岩稳定性安全系数等值云图和等值线图。从各安全系数等值分布图可以看出，未充填空区中间采场顶板隔层安全系数最小，具体位置在隔层中最顶部巷道以下区域，且在各矿房顶板附近形成安全系数等值迹线拱，随着离采场顶板愈远，安全系数逐渐增大，安全系数迹线拱也随之变大，最终在采空区顶部形成多个更大的联合迹线拱，像多孔拱桥一样，盘区矿柱如桥墩一样起支撑作用。在矿房侧壁中间，安全系数较小，但最小值较同矿房顶板安全系数值大。采场稳定安全系数在矿房跨度36m时随隔层厚度的变化而变化，当隔层为18m时，顶板中央安全系数最小值在1.0以上，此时的隔层处于稳定状态，当隔层厚度降为14m时，最小安全系数小于1.0，且随着隔层厚度的不断减小，安全系数逐渐降低，因此可初步认为36m矿房跨度時14m隔层厚度为临界隔层厚度。随着下部采空区的充填，采场及围岩不安全区域的分布图得到改善，说明采后空区的及时充填能大大提高顶板、矿柱及周边围岩的稳定性。由于篇幅所限，仅给出临界值隔层厚度14m时的上部采空区充填条件下其余各采空区均不充填的采场及围岩稳定性安全系数等值云图和等值线图，如图4所示。

2.2主应力特征分析

图5为不同隔层厚度除上部空区充填外其余空区均不充填条件下，最大主应力分布和主应力差变化规律。可以看出，监控点1'05随着隔层厚度的不断减小，最大主应力先不断增加，到14m隔层厚度后，最大主应力值为1.6211MPa，然后急剧降低，P04也在14m是一个过渡段，这是由于岩石破坏后导致强度降低的原因，此与稳定性安全系数分析结果一致。

2.3位移特征分析

矿山的开采必然要引起围岩的变形与位移，图6为不同隔层厚度的各监控点的位移变化规律曲线，计算结果显示，隔层厚度越小，一般顶板的位移也越小，但在下部中间空区右上角隅处却刚好相反。

2.4充填效果分析

由稳定性安全系数分析知14m隔层厚度为临界隔层厚度，本文限于篇幅，仅给出隔层厚度为14m时各充填方案的顶板监控点位移下沉变化规律，如图7所示。图8为充填前后隔层厚度与监控点安全系数变化规律曲线。

从各图可以看出，随着采空区充填工程的不断进行，顶板各监控点的下沉位移逐渐减小，中间空区的P04监控点由下部空区均未充填的17.091cm降为均充填下沉位移时的4.3075cm，减少位移下沉量近14cm。P04监控点的安全系数在隔层厚度14m时为1.0，并随着隔层厚度的减小而减小，但每当完成一个空区的充填，各监控点的安全系数均有所提高。当完成一个空区的充填后P04变为1.2429，完成两个空区后则变为2.6497，远远超过1.5的安全系数，而此时的P06和P08都在1.5以下，即直接顶板目前仍未完全处于稳定状态，但当所有空区均充填完成后，各监控点的安全系数都在1.8以上。故不难得出，生产时如果只留一个空区，其余空区采后及时充填，隔层厚度可控制在10m到14m间，采场基本会处于稳定状态。另外，充填对矿柱的位移变化影响较大，矿柱两侧空区充填前，矿柱顶部右侧位移较明显，但底部却向左侧发展，形成一倾倒趋势，当空区仅部分充填时，紧邻空区的矿柱底部位移增大明显，这主要是由于充填体的侧压作用所致。

3结论

在临界稳定矿房跨度为36m的一定条件下，分别按18m、16m、15m、14m、13m、12m、10m隔层厚度在隔层上部采空区充填条件下其余各采空区依次充填情况进行模拟，研究的主要成果如下：

①未充填空区中间采场顶板隔层安全系数最小，具体位置在隔层中最顶部巷道以下区域，且在各矿房顶板附近形成安全系数等值迹线拱，随着离采场顶板愈远，安全系数逐渐增大，安全系数迹线拱也随之变大，最终在采空区顶部形成多个更大的联合迹线拱，盘区矿柱像桥墩起支撑作用。在矿房侧壁中间，安全系数较小，但最小值较同矿房顶板安全系数值大。采场稳定安全系数在矿房跨度36m时随隔层厚度的减小而降低，当隔层为18m时，顶板中央安全系数最小值在1.0以上，此时的隔层处于稳定状态，当隔层厚度降为14m时，最小安全系数小于1.0，经分析得出36m矿房跨度时14m隔层厚度为临界隔层厚度。

②随着隔层厚度的不断减小，隔层间上部巷道以下区域的大主应力先不断增加，经14m隔层厚度的转折点后，最大主应力急剧降低，这是由于岩石破坏后导致强度降低的原因，此与稳定性安全系数分析结果一致。

③顶板位移随着隔层的厚度增加而呈现增加的趋势，但在下部中间空区右上角隅处的却刚好相反。

④随着采空区充填工程的不断进行，顶板各监控点的下沉位移逐渐减小，各监控点的安全系数也逐渐提高，在生产时如果只留一个空区，其余空区采后及时充填，隔层厚度可控制在10m到14m间，采场基本会处于稳定状态。同时充填对矿柱的位移变化影响较大，矿柱两侧空区充填前，矿柱顶部右侧位移较明显，但底部却向左侧发展，形成一倾倒趋势，当空区仅部分充填时，紧邻空区的矿柱底部位移增大明显，这主要是由于充填体的侧压作用所致随着采空区的充填工程不断进行，顶板各监控点的下沉位移逐渐减小。endprint